生物信息2.1生物信息的分類化學信息血液代謝物呼吸氣體其它體液等以往通過化驗來檢測現(xiàn)在很多實現(xiàn)儀器自動分析*物理信息生物電心電（electrocardiogram）腦電（electroencephalogram）肌電（electromyogram）皮膚電等生物磁心磁腦磁肺磁等生物光生物聲*生理信息聽覺視覺觸覺味覺嗅覺痛覺心理信息*生物信息的存在性及研究目標存在性有生命，就必然有生物信息研究目標認識自然，揭示生命的奧秘改造自然，為人類健康生存服務*2.2生物電現(xiàn)象生物電的發(fā)現(xiàn)Galvani（伽爾伐尼）于220年前進行了重要的實驗，發(fā)現(xiàn)了生物電的存在。實驗描述：將一神經(jīng)肌肉標本與金屬接觸，肌肉發(fā)生收縮，表明生物電的存在。解釋：肌肉通過金屬構(gòu)成的回路而放電。肌肉收縮是放電電流刺激的結(jié)果。疑問：Volta認為是不同金屬導體產(chǎn)生的電流，不是生物電。再進行實驗排除金屬的影響，把神經(jīng)肌肉標本搭在損傷的肌肉上，也可以引起標本肌肉的收縮，證明了生物電的存在。*附：關于傅里葉變換的爭論傅里葉（Fourier）：法國工程師、數(shù)學家傅里葉變換最早可以追溯到古代巴比倫（Babylonians）時代近代，歐拉用語研究弦的振動結(jié)論：如果在某一時刻振動弦的形狀是這些標準振蕩的線性組合，則其后任何時刻，振動弦的形狀也都是這些振蕩的線性組合。（實際上是傅里葉級數(shù)的概念）。爭議：Bernoulli贊成/Lagrange反對1807年，傅里葉完成關于傅里葉級數(shù)的論文，四位審稿人意見不一致。贊成的：Lacroix,Morge,Laplace；反對的：Lagrange后來，15年后，才在書中發(fā)表（Theoryanalytiquedelachaleur）意義、應用：在眾多領域產(chǎn)生巨大影響。新發(fā)展：FFT*進一步的研究發(fā)現(xiàn)生物電的傳播速度以往認為神經(jīng)動作電位的傳導速度等于光速；Helmholts經(jīng)過實驗證明，傳導的平均速度為20-30m/s發(fā)現(xiàn)器官組織的電位變化皮膚，腺體，胃，腸等均有電位變化視網(wǎng)膜、心臟、大腦皮層均有電位變化目前使用的心電圖、腦電圖等均與上述發(fā)現(xiàn)相關。*組織和細胞的電學特性組織和細胞的導電性（電阻性）是導體：在有機體中，含有大量的水分，含有蛋白質(zhì)膠體離子。這樣，可以把組織和細胞看作一個復雜的電解質(zhì)導體。有電阻：組織和細胞的導電特性與生理、病理狀態(tài)密切相關（有狀態(tài)信息）。例如細胞死亡后，電阻率下降到10^(-3)歐姆cm組織和細胞的電容性動物組織（心臟、腦、肌肉）都由一群細胞和胞內(nèi)液以及細胞液組成。胞內(nèi)液/胞間液之間有一層細胞膜（半透性、厚度85-170A）。膜上有3A的小孔，用于離子交換。由于對正負例子的通透性不同，造成內(nèi)外例子濃度差異。胞內(nèi)液/胞間液形成了一個電容器。稱為膜電容。其介質(zhì)為細胞膜。電容性使組織和細胞的導電性隨頻率變化。*膜電位靜息電位是細胞內(nèi)K離子的平衡電位與膜外電場力這一對矛盾對立統(tǒng)一的結(jié)果。（RestPotential）動作電位是在靜息電位的基礎上發(fā)生一次短暫的電位波動。（ActionPotential）*體表電位體表電位是在體表記錄到的電信號是在體內(nèi)某處產(chǎn)生的電勢差的結(jié)果常規(guī)的心電、腦電等均為體表電位*心電的產(chǎn)生：心肌細胞的極化狀態(tài)和靜息電位心肌細胞在靜息狀態(tài)下，細胞膜外帶正電荷，膜內(nèi)帶同等數(shù)量的負電荷，這種電荷穩(wěn)定的分布狀態(tài)稱為極化狀態(tài)（如圖）。通過實驗，測得極化狀態(tài)的單一心肌細胞內(nèi)電位為-90mV，膜外為零。這種靜息狀態(tài)下細胞內(nèi)外的電位差稱為靜息電位.（restingpotential）這種穩(wěn)恒狀態(tài)就稱極化狀態(tài)。*極化狀態(tài)時靜息電位的產(chǎn)生機理極化狀態(tài)時靜息電位的恒定，有賴于細胞的代謝活動，細胞內(nèi)外鉀離子及鈉離子濃度的比值以及細胞膜對鉀、鈉、鈣、蛋白質(zhì)、氯離子等具有不同的通透性。在靜息狀態(tài)下，細胞內(nèi)鉀離子濃度約為細胞外鉀離子濃度的30倍，相反細胞外鈉離子濃度約為細胞內(nèi)鈉離子濃度的15倍。至于陰離子，細胞內(nèi)液以蛋白陰離子的濃度為高，而在細胞外液則以氯離子濃度為高。由于細胞膜對鉀離子的通透性遠超超過對鈉離子和通透性，細胞內(nèi)鉀離子濃度又高于細胞外數(shù)十倍，鉀離子便會不斷地從細胞內(nèi)向細胞外滲出。當鉀離子外滲時，氯離子亦隨之外滲，但因細胞膜本身帶有負電荷，氯離子滲出受阻，就使較多的鉀離子滲出到膜外，而未能滲出的游離型陰離子（主要是蛋白陰離子，其次是氯離子）留在膜內(nèi)，使膜內(nèi)電位顯著低于膜外。膜內(nèi)負電位的大小和靜息時鉀離子外滲的多少有密切關系，鉀離子外滲越多，留在膜內(nèi)的陰離子也越多，因而膜內(nèi)負電位也越大，同時由于膜內(nèi)帶負電荷的陰離子越來越多，吸引著膜內(nèi)鉀離子（靜電力作用），使膜內(nèi)鉀離子逐漸不能再向外轉(zhuǎn)移，因而使膜內(nèi)電位維持在-90mV的水平上，形成了靜息電位。*

心肌細胞的除極、復極過程(1)0相（去極化期）：心肌細胞受刺激時鈉通道開放，細胞膜對Na+的通透性急驟升高，使細胞外液中的大量Na+滲入細胞內(nèi)，膜內(nèi)電位從靜息狀態(tài)的-90mV迅速上升到+30mV，形成動作電位的上升支即0相，0相非常短暫，僅點1-2ms。這種極化狀態(tài)的消除稱為除極（depolarization）。相當于心電圖QRS波群的前半。*心肌細胞的除極、復極過程(2)1相（早期快速復極相）：心肌細胞經(jīng)過除極后，又逐漸恢復負電位稱為復極，動作電位到達頂峰后，立即開始復極，在復極開始到達零電位形成1相。因為此時Na+的內(nèi)流已銳減，細胞膜對K+和Cl-的通透性增大，引起K+的外流和Cl-的內(nèi)流，其中K+外流是主要的，使膜內(nèi)電痊快速自+20mV下降至0線形成1相。約占10ms。相當心電圖QRS波群的后半部2相（平臺期）：為緩慢復極化階段。表現(xiàn)為膜內(nèi)電位下降速度大減，停滯于接近零電位的等電位狀態(tài)，形成平臺。此期持續(xù)時間較長，約占100～150ms，在膜電位低于-55～-40mV時，膜上的鈣通道激活，使細胞外Ca++緩慢內(nèi)流，同時又有少量K+外流，致使膜內(nèi)電位保持在零電位附近不變。相當于心電圖的S-T段。*心肌細胞的除極、復極過程(3)3相（快速復極末相）：此期復極過程加速，膜內(nèi)電位較快下降至原來的膜電位水平，主要由于膜對K+的通透性大大增高，細胞外K+濃度較低促使K+快速外流。相當心電圖的T流。4相（靜息相）：通過細胞膜上的鈉-鉀泵活動加強，使細胞內(nèi)外的離子濃度差得到恢復至靜息狀態(tài)水平。相當于心電圖T波的等電位線。4相的開始相當于復極過程完畢，心室舒張期由此開始。*容積導電與電偶學說心肌細胞除極與復極過程在臨床心電圖上通常用電偶學說來說明。由兩個電量相等，距離很近的正負電荷所組成的一個總體，稱為電偶。正電荷稱做電偶的電源，負電荷稱為電偶的電穴，其連線稱為電偶軸，電偶軸的方向是由電穴指向電源，兩極間連線的中點稱為電偶中心.*

當一個心肌細胞的甲端受刺激而首先除極，由于Na+的內(nèi)流使此處膜內(nèi)變?yōu)檎娢唬ね庾優(yōu)樨撾娢唬▓DB），乙端仍保持膜外為正電位、膜內(nèi)負電位的極化狀態(tài)，使同一個細胞膜外的甲乙兩端出現(xiàn)了電位的差別。甲端為負電荷（電穴），乙端為正電荷（電源），二者形成電偶，產(chǎn)生電流。電流的方向由電源流向電穴。若在乙端（面對電源）置一探查電極，即可描記出向上的波，反之，在甲端則描記出向下的波*隨著除極波的擴展，整個心肌細胞全部除極，細胞膜內(nèi)外分別均勻地聚集正、負電荷，細胞膜外的電位差消失，無電流存在，則記錄為一平線。*心肌細胞復極時，先除極的甲端首先復極，恢復到極化水平，其膜外聚集正電荷，未復極的乙端膜外仍聚集負電荷，復極端為電極，恢復到極化水平，其膜外聚集正電荷，未復極的乙端膜外仍聚集負電荷，復極端為電源，未復極端為電穴，二者再次形成電偶，產(chǎn)生電流，電流方向仍為電源流向電穴，與除極時方向相反，甲端電極描記為正波，乙端描記為負波。*整個心肌細胞恢復極化狀態(tài)后，電偶消失，無電流產(chǎn)生，再次描記為一平線.*心電圖導聯(lián)心臟除極，復極過程中產(chǎn)生的心電向量，通過容積導電傳至身體各部，并產(chǎn)生電位差，將兩電極置于人體的任何兩點與心電圖機連接，就可描記出心電圖，這種放置電極并與心電圖機連接的線路，稱為心電圖導聯(lián)（lead）。*標準導聯(lián)亦稱雙極肢體導聯(lián)(1)Ⅰ導聯(lián)將左上肢電極與心電圖機的正極端相連，右上肢電極與負極端相連，反映左上肢（L）與右上肢（R）的電位差。當L的電位高于R時，便描記出一個向上的波形；當R的電位高于L時，則描記出一個向下的波形。*標準導聯(lián)亦稱雙極肢體導聯(lián)(2)Ⅱ?qū)?lián)將左下肢電極與心電圖機的正極端相連，右上肢電極與負極端相連，反映左下肢（F）與右上肢（R）的電位差。當F的電位高于R時，描記出一個向上波；反之，為一個向下波。*標準導聯(lián)亦稱雙極肢體導聯(lián)(3)Ⅲ導聯(lián)：將左下肢與心電圖機的正極端相連，左上肢電極與負極端相聯(lián)，反映左下肢（F）與左上肢（L）的電位差，當F的電位高于L時，描記出一個向上波；反之，為一個向下波。*單極肢體導聯(lián)的連接方式加壓單極肢體導聯(lián)標準的導聯(lián)只是反映體表某兩點之間的電位差，而不能探測某一點的電位變化，如果把心電圖機的負極接在零電位點上（無關電極），把探查電極接在人體任一點上，就可以測得該點的電位變化，這種導聯(lián)方式稱為單極導聯(lián)。Wilson提出把左上肢，右上肢和左下肢的三個電位各通過5000歐姆高電阻，用導線連接在一點，稱為中心電端（T）。理論和實踐均證明，中心電端的電位在整個心臟激動過程中的每一瞬間始終穩(wěn)定，接近于零，因此中心電端可以與電偶中心的零電位點等效。在實際上，就是將心電圖機的無關電極與中心電端連接，探查電極在連接在人體的左上肢，右上肢或左下肢，分別得出左上肢單極導聯(lián)（VL）、右上肢單極導聯(lián)（VR）和左下肢單極導聯(lián)（VF）.**加壓單極肢體導聯(lián)的連接方式

由于單極肢體導聯(lián)（VL、VR、VF）的心電圖形振幅較小，不便于觀測。為此，Gold-berger提出在上述導聯(lián)的基礎上加以修改，方法是在描記某一肢體的單極導聯(lián)心電圖時，將該肢體與中心電端相連接的高電阻斷開，這樣就可使心電圖波形的振幅增加50％，這種導聯(lián)方式稱為加壓單極肢體導聯(lián)，分別以avl、avR和avF表示**胸導聯(lián)胸導聯(lián)亦是一種單極導聯(lián)，把探查電極放置在胸前的一定部位，這就是單極胸導聯(lián)（圖）。這種導聯(lián)方式，探查電極離心臟很近，只隔著一層胸壁，因此心電圖波形振幅較大常用的幾個胸導聯(lián)位置見圖，V1、2導聯(lián)面對右室壁，V5

、V6

導聯(lián)面對左室壁，V3

、V4

介于兩者之間。*胸導聯(lián)位置在常規(guī)心電圖檢查時，通常應用以上導聯(lián)即可滿足臨床需要，但在個別情況下，例如疑有右室肥大，右位心或特殊部位的心肌梗塞等情況，還可以添加若干導聯(lián)，例如右胸導聯(lián)V3R～V5R，相當于V3～V5相對應的部位；V7導聯(lián)在左腋后線與V4水平線相交處。*心電圖波形*心電圖各波和波段的意義

P波（Pwave）：反映左右心房的電激動過程電位和時間的變化。P-R間期（P-Rinterval）：代表心房開始除極至心室開始除極的時間。P-R段（P-Rsegment）：代表心房激動通過房室交界區(qū)下傳至心室的時間。QRS波群（QRSComplex）：反映左右心室除極過程電位和時間的變化，典型的QRS波群包括三個相連的波。第一個向下的波為“Q”波；繼之向上的波為“R”波；繼R波之后的向下波為“S”波。

*心電圖各波和波段的意義(Cont’d)S-T段（S-Tsegment）：從QRS波群終點到T波起點的線段，反映心室早期復極過程電位和時間的變化

.T波（Twave）反映晚期心室復極過程電位的變化。

U波（Uwave）：代表心肌活動的“激后電位”（afterpotential）.

Q－T間期（Q-Tinterval）：從QRS波群起點到T波終點的時間；反映心室除極和復極的總時間。

*腦電信號的概念腦電信號包括腦電圖(EEG)和誘發(fā)電位(EP);腦電圖（Electroencephalogram，EEG）：中樞神經(jīng)系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的生物電信號；隨機信號，具有非平穩(wěn)和非高斯特性；反映神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)和變化；誘發(fā)電位（EvokedPotentials)中樞神經(jīng)系統(tǒng)在外界聲、光、電等刺激下產(chǎn)生的生物電信號；具有準周期特性；反映神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)和變化*腦電信號的臨床意義是神經(jīng)系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的生物電活動;反映了神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)與變化;是臨床檢測診斷神經(jīng)系統(tǒng)損傷和病變的重要手段之一;對于人類關于認知和意識的研究具有重要意義*腦電信號的獲取*新型的腦電圖儀器*腦電圖儀電極位置示意圖

FP1、FP2：前額；F3、F4：額；C3、C4：中央；P3、P4：頂；O1、O2：枕；F7、F8：前顳；T3、T4：中顳；T5、T6：后顳；FZ：額中線；CZ：中央頭頂；PZ：頂中線；A1、A2：耳（或乳突）

*典型的腦電圖信號波形（1）*典型的腦電圖信號波形（2）*腦電圖信號的特征α波：是腦電的基本節(jié)律（呈正弦型），主要出現(xiàn)在大腦后半部，通常在安靜及閉眼時出現(xiàn)；頻帶范圍

8～12Hz，85%的成人在9.5～10.5Hz之間，振幅10～100μV，是成人腦電中的基本節(jié)律。節(jié)律呈正弦形，其波幅可以出現(xiàn)周期性逐漸升高和降低現(xiàn)象。波的活動在大腦各區(qū)都有，不過以頂枕部最為顯著，并且左右對稱，安靜及閉眼時出現(xiàn)最多，波幅亦最高，睜眼、光刺激或精神活動時，波會受到抑制并很快的被波所取代，這是正常腦電圖的重要標志之一。對同一個人而言，在不同時間或不同腦區(qū)記錄的節(jié)律的周期、振幅、位相等平均值差異一般不超過10%，其腦電圖出現(xiàn)方式較恒定，對生理條件改變或各種外界刺激可保持一定的閾值；

β波：頻帶范圍

14～30Hz，振幅5～30μV，以額、顳和中央較為顯著，注意力集中或情緒緊張時出現(xiàn)較多；

θ波：頻帶范圍

4～8Hz，振幅20～40μV，在顳葉、頂葉較明顯，一般困倦時出現(xiàn)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制狀態(tài)的表現(xiàn)。經(jīng)常存在的局灶性節(jié)律為異常，其出現(xiàn)常為深部皮質(zhì)下或中線結(jié)構(gòu)的病變；δ波：頻率為0.5~3Hz，見于兒童和成年人睡眠時，出現(xiàn)該波均屬正常。振幅10～20μV，常在額部出現(xiàn)，其指數(shù)不超過5%～8%，見于兒童和成年人的睡眠時，在正常清醒的成人腦波中很少見，過度換氣、睜眼及呼叫姓名都對波無影響。無論任何年齡，任何意識水平持續(xù)存在的局灶性波均為異常，指示著皮質(zhì)病變。*不同腦電波形對應的癥狀棘波，周期在80ms以內(nèi)，呈垂直上升和下降，波幅較高，約為100～200μV，是癇性放電最具有特征性的表現(xiàn)之一，常見于局限性癲癇、癲癇大發(fā)作、肌陣攣性發(fā)作、間腦癲癇等。尖波，又稱銳波，形狀近似于棘波，但周期較長，一般在80～300ms之間，形態(tài)是快直上升而緩慢下降的三角形波，波幅可達200μV以上。尖波可看作棘波放電的不完全同步或為大病灶中大量神經(jīng)元同步性放電恢復的延遲。棘慢復合波，由棘波和慢波（或）組成，通常是兩側(cè)對稱的每秒三次的復合波，以額部最為顯著。這種波形的出現(xiàn)是癲癇小發(fā)作特有的。尖慢復合波，是由尖波和慢波組成的復合波，亦稱為不全棘慢波或慢棘慢波，見于局限性癲癇。

*神經(jīng)系統(tǒng)疾病的腦電圖特征（1）癲癇大發(fā)作：腦電圖出現(xiàn)棘波、尖波和棘慢綜合波等。小發(fā)作：規(guī)律性反復出現(xiàn)波幅一致的棘波與慢波的結(jié)合，通常為兩側(cè)半球同步放電。腫瘤病變患者在清醒狀態(tài)時出現(xiàn)θ波或δ波。顱內(nèi)占位性病變引起不同程度腦電圖的變化，包括腦腫瘤、腦濃腫、腦轉(zhuǎn)移癌等，常出現(xiàn)局部性θ波或δ波。

*神經(jīng)系統(tǒng)疾病的腦電圖特征（2）意識障礙嗜睡：節(jié)律中度變慢，δ波和θ波活動混雜，有一些局限性單相α波；昏睡：呈較多的δ波活動，δ波活動間為快波；昏迷：持續(xù)性δ波；深度昏迷：全部為小信號δ波，常接近直線。顱內(nèi)炎癥腦炎在病情較輕或發(fā)病早期，腦電圖主要反映為θ波活動，病情較重時表現(xiàn)為高波幅α波和θ波活動。在腦炎急性期出現(xiàn)抽觸是常見現(xiàn)象，此時的腦電圖易出現(xiàn)棘波、尖波和放電。*神經(jīng)系統(tǒng)疾病的腦電圖特征（3）腦血管病腦出血：急性期腦電圖的主要變化為兩側(cè)δ波，很少伴有棘波和尖波；腦血栓形成：在頸內(nèi)動脈部分發(fā)生阻塞而無癥狀時，腦電圖基本正常。有癥狀時，信號波幅降低，出現(xiàn)δ波。在一次發(fā)作經(jīng)過治療后，若腦電圖異常減輕，則預后較好，反之則預后較差。顱腦外傷腦震蕩：出現(xiàn)無節(jié)律的低平波，隨后出現(xiàn)廣泛的θ波和δ波；腦挫傷：出現(xiàn)高幅的θ波和δ波，基本α波消失；腦外傷綜合癥：腦電圖隨訪檢查，可推測預后。*偏頭痛與腦電信號異常偏頭痛是一種常見病，它除了會使人感到極度疼痛外，還會造成惡心，視覺改變以及對光和聲音的過度敏感等癥狀。偏頭痛的成因比較復雜，目前發(fā)現(xiàn)的可能導致偏頭痛的因素包括緊張、疲勞、耀眼的光線、一些食物以及激素分泌波動等等。以前科學家們一直認為，血管的異常擴張可能是導致偏頭痛的主要原因，因此，在對偏頭痛進行治療時主要采用收縮血管等方法，但最新的造影研究卻顯示，偏頭痛患者在患病時大腦會出現(xiàn)一些異常興奮的神經(jīng)元細胞，也就是大腦細胞，這些大腦細胞會間歇性地向大腦后側(cè)發(fā)射出微弱的電脈沖，并向大腦的疼痛感知中心反射，與此同時，電脈沖經(jīng)過的地方血流會出現(xiàn)明顯的加速流動現(xiàn)象，這有可能是導致偏頭痛的主要原因。研究人員還發(fā)現(xiàn)，在電脈沖經(jīng)過之后，血流速度就會很快下降，而此時大腦疼痛的癥狀也隨即減輕。如果這一發(fā)現(xiàn)能夠得到充分驗證的話，那么將會給偏頭痛的治療帶來新的希望。*腦電圖研究表明鳥的夢充滿歌聲*

一項針對澳大利亞斑胸草雀的腦電波研究發(fā)現(xiàn)，它們睡覺時也在練歌。美國芝加哥大家的科學家認為，夢見自己唱歌有助于斑胸草雀熟練掌握一系列旋律。研究人員把微型電波記錄裝置分別嵌入四只斑胸草雀大腦中主管音樂技能的細胞里，以觀察其活動特點。通過回放錄制的腦電波發(fā)現(xiàn)，盡管沒有唱出聲音，斑胸草雀的神經(jīng)細胞在睡眠時活動頻繁，其形式與它們覺醒并唱歌時相類似。小鳥傾聽大鳥唱歌，從中學習技巧。聽過一首歌后，把它記在腦子里。隨后在睡夢里反復練習，提高水平。

癲癇與伽瑪?shù)叮℅ammaknife）*誘發(fā)電位及其臨床意義誘發(fā)電位誘發(fā)電位（EP）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)在外界聲、光、電等刺激下產(chǎn)生的生物電活動，它反映了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)和變化；潛伏期是從刺激時刻開始到選定的EP信號峰之間的時間間隔，其中包含了神經(jīng)傳導通路上各個部位的生理和病理信息；檢測潛伏期及其變化，可以獲得神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)及變化的信息。*典型的誘發(fā)電位信號波形*誘發(fā)電位潛伏期及其延遲*EP潛伏期變化的檢測傳統(tǒng)方法多禎累加平均；高斯噪聲模型；基于二階統(tǒng)計量的方法存在的問題非高斯噪聲特性，使基于二階統(tǒng)計量的算法性能退化新方法DLMP，SDA，NLST，AFLC；動態(tài)檢測特性；在高斯和非高斯噪聲條件下具有很好的韌性*誘發(fā)電位潛伏期變化檢測結(jié)果圖示*腦電儀器尚存在的問題信號的預處理過于簡單，不能滿足許多異常情況的需要;缺少基于現(xiàn)代信號處理技術的信號分析和輔助診斷功能，致使診斷結(jié)果可能因人而異

;肌電、眼動等干擾與腦電圖信號混雜在一起,影響了判讀診斷的準確性和可靠性;未能解決視頻監(jiān)視與腦電信號波形的同步問題*2.3生物磁現(xiàn)象1.生物磁現(xiàn)象人體生物磁場的來源由天然生物電流產(chǎn)生的磁場（心、腦磁場）由生物磁性材料產(chǎn)生（肝、脾等產(chǎn)生磁場）侵入人體的鐵磁物質(zhì)產(chǎn)生剩余磁場（Fe3O4粉末吸入肺部）磁場強度肺磁場強度：10^(-7)—10^(-4)高斯心磁場強度：10^(-6)GS自發(fā)腦磁場：10^(-8)GS環(huán)境磁場強度：地磁：5*10^(-1)GS;

交流磁場10^(-4)GS*心磁場1963年首次檢測到心磁場（心磁圖MCG），現(xiàn)在仍為活躍研究課題。MCG比ECG可提供更多的信息例可將胎兒的MCG與母體的分開，而測ECG則比較困難，需用信號處理技術。腦磁場1968年首次檢測到腦磁場（腦磁圖MEG）EEG與MEG之間存在密切的關聯(lián)誘發(fā)腦磁場有更重要的意義。MEG的優(yōu)點：MEG無需皮膚接觸可直接反映腦內(nèi)場源的活動狀態(tài)有很強的特異性*肺磁場1973年首次發(fā)現(xiàn)由強磁性污染所產(chǎn)生的剩余磁場檢測方法：利用消磁器使胸部全面消磁，得到第一張肺磁圖施加磁化場，使磁性物磁化，得到第二張肺磁圖第二張減去第一張，得到第三張肺磁圖用途職業(yè)病檢查磁示蹤其他磁場視網(wǎng)膜磁場肝磁場*2.4生物聲現(xiàn)象一般說明許多動物（含人類）具有發(fā)聲功能生物聲學介于生物學和聲學之間生物利用聲音進行交往，表明不同的狀態(tài)每個種群有各自明顯的識別標志聲帶不是唯一的發(fā)聲器官例蚱蜢用后腿摩擦發(fā)聲蟬用薄膜發(fā)聲魚可以用浮氣泡發(fā)聲海豚靠鼻道發(fā)聲*聽覺器官各異蚱猛在腹部紡織娘靠前腿上的一個肉眼看不見的微型膜感受聲波蟑螂用尾須接收聲波雄蚊頭上兩根觸角上的剛毛對雌蚊的扇動聲特別敏感大多數(shù)魚的耳朵為體側(cè)的側(cè)線，可接收聲波*2.5生物光現(xiàn)象光的來源特殊腺器官，在受到刺激時分泌出發(fā)光必須的物質(zhì)在體表面的腺細胞，只在受到刺激時才分泌散布在細胞內(nèi)各處的小發(fā)光微粒生物光的顏色藍，綠，黃，紅熒火蟲的發(fā)光最強人體發(fā)出的生物光為藍色，太弱，肉眼無法看見*各部位發(fā)光強度不同手指發(fā)光比虎口強虎口比手心強手心比手背強無穴位的地方比有穴位大地方強壯年的比青年的強體質(zhì)強的比體制弱的強生物光與生理、病理密切相關*2.6其它生理信息血壓、脈搏、心音血壓：指血管內(nèi)血液對血管壁的側(cè)壓（Pa）1mmHg=12.9mm血柱=133.332Pa心臟收縮，血壓上升，稱為收縮壓心臟舒張，血壓下降，稱為舒張壓脈搏（動脈搏動）動脈內(nèi)壓力周期性的波動，引起動脈血管發(fā)生搏動，稱為動脈脈搏。檢測脈搏的波形，可以診斷不同的疾病*心音是由心肌收縮引起的血液流速變化而形成的機械震動而造成的第一心音：伴隨心室收縮時血液運動而產(chǎn)生40—100Hz第二心音：主動脈和肺動脈內(nèi)血流減速和反向流動所產(chǎn)生的低頻振動，100—150Hz第三心音：發(fā)生在舒張早期，由血流速度的突然改變而引起第四心音：心房收縮而推動血流進入心室。*心輸出量心臟在每分鐘的跳動中所射出的血液量，稱為心輸出量。正常成年男性，平均心率75次/分每次搏出量，70ml心輸出量，5升/分女性比男性約少10%劇烈運動后可達25—35升/分麻醉下可降低至2.5升/分血流單位時間內(nèi)血管中流通的血量為血流量血流量的大小取決于心輸出量和血管阻力。*血流的特點液體粘滯性，是水的3-4倍靠血管中心的流速大，靠管壁的流速小各層之間流速差別較大，可能出現(xiàn)湍流（血管病變時）血液中紅細胞尺寸7um—11um。*

生物（醫(yī)學）信息的獲取3.1工程技術對醫(yī)學的影響第一階段：萌芽階段時間：17世紀—19世紀標志：出現(xiàn)了聽診器、體溫計和血壓計第二階段：滲入階段時間：19世紀末以后標志：兩件大事1895年11月8日，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。1895年12月22日，倫琴為其夫人拍攝第一張X光片電技術出現(xiàn)，導致心電圖、腦電圖的測量和研究1895年，荷蘭醫(yī)生Einthoven首次得到心電圖1903年，用電流計記錄了心電圖1947年，腦的A型超聲1953年，二維超聲實時成像生物（醫(yī)學）電子學*第三階段：沖擊階段時間：20世紀60年代以后動力：微電技術、計算機技術例：心電的進展1961年，Holter完成磁帶記錄24小時監(jiān)測、回放，準確率66%70年代，計算機識別QRS波，準確率97%例：CT技術1971年，Hounsfield（英國工程師）獲得諾貝爾獎目前，各種CT，包括：X-CT，超高速X-CT，單光子發(fā)射CT，正電子發(fā)射CT，核磁共振CT等生物（醫(yī)學）電子學*第四階段：融合時間：20世紀80年代以后標志：醫(yī)療儀器的全面計算機化醫(yī)療技術的植入化、遠程化和介入治療例：植入化心臟起博器，30年前180克，現(xiàn)在16克胃電裝置（減肥、食欲）視網(wǎng)膜顯示器：調(diào)節(jié)二極管發(fā)出的光子流，使其略過視網(wǎng)膜，形成掃描，使振動色彩圖像被大腦接收，可以使白內(nèi)障患者看見東西。納米技術：進入血管檢查，把數(shù)據(jù)送回監(jiān)視器遠程化：與網(wǎng)絡通信技術相結(jié)合計算機輔助治療興起多功能醫(yī)療手段出現(xiàn)臨床信息系統(tǒng)生物（醫(yī)學）電子學*3.2生物電位電極生物電引導電極的概念完成人體（或其它生物體）和測量系統(tǒng)之間的界面作用，把離子電流變?yōu)殡娮与娏鳌Ｔ谌梭w內(nèi)，離子導電在測量系統(tǒng)內(nèi)，電子導電生物（醫(yī)學）電子學*1.電極的極化電壓構(gòu)成：引導電極是經(jīng)過一定處理的金屬板、金屬絲或金屬網(wǎng)；與電極直接接觸的是電解質(zhì)溶液；（導電膏，人體汗液、人體組織液、電極插入、埋藏式等）形成一個金屬—電解質(zhì)溶液界面生物（醫(yī)學）電子學*電化學知識當金屬放入水溶液時，因極性水分子的作用：金屬離子離開金屬進入水中，在金屬上留下相應數(shù)量的自由電子，金屬呈負電；金屬（帶-電）與水中的+離子相互吸引，導致動態(tài)平衡；金屬與水溶液之間形成電荷分布—雙電層。產(chǎn)生一定的電位差。生物（醫(yī)學）電子學*電極的概念電極：由金屬浸在含有該金屬離子溶液中所構(gòu)成的體系稱為電極。電極電位：金屬與溶液之間的界面的電位差稱為電極電位。電極電位的定義：R—氣體常數(shù)，8.314J/mol.K;F—法拉弟常數(shù)，96487庫倫；T—絕對溫度；n—離子價數(shù)；C—金屬離子的有效濃度(mol/L);K—與金屬特性有關的常數(shù)生物（醫(yī)學）電子學*在室溫下：當C=1時，生物（醫(yī)學）電子學*電極的極化電極的極化指電極與電解質(zhì)溶液界面形成雙電層；在有電流通過時，電極—電解質(zhì)溶液界面的電位發(fā)生變化（高度極化、不極化）在生物醫(yī)學工程領域，記錄直流或緩慢變化的生物電位，需用不極化的電極。例：用雙極導聯(lián)記錄心電、腦電，所記錄的是信號兩點的電位差，若兩電極本身電位不同，則造成偽差。電極電位漂移的原因：材料的細微差別電極表面受到污染移動生物（醫(yī)學）電子學*2.電極的電特性電極--電解質(zhì)界面呈非線性V-A特性，電極特性與電流有關。電極阻抗是頻率的函數(shù)（有電容存在）等效電路的參數(shù)與電極材料有關。生物（醫(yī)學）電子學*3.絕緣干電極與上述的表面電極不同采用電容耦合原理生物電信號經(jīng)過電容耦合到放大器，電極與人體之間的電容2500pF—5000pF，輸入阻抗》800M歐生物（醫(yī)學）電子學*4.

金屬微電極用于提取單細胞或神經(jīng)元一類微小單元的電位電極尺寸：0.05um—10nm材料：金屬電極填充電解液玻璃電極等生物（醫(yī)學）電子學*3.3生物醫(yī)學傳感器1.傳感器的定義傳感器（sensor）是能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置。]是獲取人體生理和病理信息的工具是生物醫(yī)學工程的重要分支對化驗、診斷、監(jiān)護、控制、治療等均有重要意義傳感器在測量系統(tǒng)中的位置生物（醫(yī)學）電子學*2.生物醫(yī)學傳感器的主要用途檢測生物體信息例心臟病患者在手術前，需測量心內(nèi)壓力—血液傳感器普查乳腺癌—紅外線探測器掃描—熱分布圖監(jiān)護：連續(xù)測定某些生理參數(shù)例心臟手術的患者，手術幾天之內(nèi)，要連續(xù)測量體溫，脈搏，動脈壓，靜脈壓，呼吸，心電等需要一系列的傳感器控制：利用檢測到的參數(shù)，控制人體的勝利過程例在使用同步呼吸機搶救病人時，需檢測病人的呼吸信號，并控制呼吸器的動作，使之與人的呼吸同步。生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*“FromTankstoTumors”StateoftheArt:

HealthyBreasts(shownleft)andAfter10min.waiting(right)byonecamerapassiveThermalScanAfter10min.生物（醫(yī)學）電子學*StateoftheArt:

PathologicalBreastsBefore(shownleft)andAfter10min.waiting(right)byonecamerapassiveThermalScan(IRI)After10min.DCISzerostagerequiresexcessheatsupply3.生物醫(yī)學傳感器的分類物理傳感器：用于測量血壓、體溫、血流量、血粘度、生物組織對輻射的吸收、反射或散射等。化學傳感器：測量體液中的離子成分或濃度，PH值，氧分壓，葡萄糖濃度等。測量生物電位的電極也可看作傳感器，可以列入化學傳感器。因為電極與皮膚之間的界面是一個半電池（化學電池）。生物傳感器用于酶、抗原、抗體、激素、DNA（脫氧核糖核酸）等物質(zhì)的傳感。因上述分子的分子量較大，化學傳感器難于識別，劃為生物傳感器。生物（醫(yī)學）電子學*4.生物醫(yī)學傳感器的特殊性距離問題：在工業(yè)測量中，總是盡量使傳感器接近被測點。在生物醫(yī)學測量中，要避免傳感器干擾人的正常生理、生化狀態(tài)，避免給人的正常活動帶來負擔或痛苦。信號遠離，使信號變壞。接觸問題：常采用非接觸或無損測量（借助信號處理技術）植入問題：發(fā)展了植入式或部分插入式傳感器（微型化、納米技術）噪聲問題：信號微弱，低頻，噪聲干擾大，隨機性強，個體差異較大。生物（醫(yī)學）電子學*5.傳感器的靜態(tài)特性幾個概念靜態(tài)量：是指固定狀態(tài)的信號或變化的極其緩慢的信號（準靜態(tài)量）；動態(tài)量：周期信號，瞬態(tài)信號，說隨機信號靜態(tài)特性：輸入量為恒定值時，輸入量與輸出量之間的關系稱為靜態(tài)特性。一般表達式其中：0偏靈敏度，用k表示線性特性奇對稱性生物（醫(yī)學）電子學*衡量靜態(tài)特性的指標線性度：傳感器的特性曲線的非線性誤差其中，生物（醫(yī)學）電子學*遲滯描述傳感器的正向（輸入量由小到大）和反向（輸入量由大變小）特性的不一致程度其中生物（醫(yī)學）電子學*重復性在同一工作條件下，輸入朝同一方向做全量程的連續(xù)多次變動時所得到的特性曲線不一致的程度。其中，生物（醫(yī)學）電子學*靈敏度在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值生物（醫(yī)學）電子學*準確度又稱為精度，表示被測量的測量結(jié)果與固定真值間的一致程度。靈敏限指輸入量的變化不一致引起輸出量有任何可見變化的量值范圍6.傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性：指傳感器對于隨時間變化的輸入量的響應特性，可以用傳遞函數(shù)來描述。生物（醫(yī)學）電子學*3.3物理傳感器及其應用1.光電傳感器及其應用光電傳感器：概念：把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。可以直接測量來自人體的輻射信息，也可以把人體的其它信息轉(zhuǎn)換成光/電信號。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，非接觸，可靠性高，精度高，反應迅速常用元件：光電管，光電導，光電勢元件，光敏管原理：光電效應—指光照射到物質(zhì)上引起其電特性發(fā)生變化的現(xiàn)象。外光電效應：光電發(fā)射效應內(nèi)光電效應：光導效應，光生伏特效應生物（醫(yī)學）電子學*外光電效應金屬表面受光照射，其表面和內(nèi)部的電子吸收光能后溢出金屬表面的現(xiàn)象，稱為外光電效應。兩條定律：斯托克夫定律：當入射光頻率不變時，飽和光電流與入射光強度成正比。愛因斯坦定律：光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關系，而與入射光的強度無關。生物（醫(yī)學）電子學*二次電子發(fā)射和電子倍增現(xiàn)象二次電子發(fā)射：具有足夠動能的電子（一次電子）轟擊任何物體，使該物體發(fā)射電子（二次電子）的現(xiàn)象，光電倍增管把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子流并使電子獲得放大的真空電子器件。生物（醫(yī)學）電子學*光電倍增管的工作原理各電極電位從陰極開始逐級升高，相鄰電極電位差為100V左右。微弱光入射的的光電子打到光陰極上，引起光電子發(fā)射。經(jīng)過靜電聚焦和加速，飛向第一倍增陽極D1，并引起二次電子發(fā)射。…最后，電子到達陽極被聚焦，在電阻上形成約1uA的電流。電流放大倍數(shù)約為10^6—10^8。生物（醫(yī)學）電子學*光電倍增管的應用放射性同位素（RI）測量和成像，用光電倍增管作為檢測器。方法：靜脈注射/口服放射性同位素示蹤藥物，同位素分布于人體特定部位，可檢測其分布或圖像，從而測定生理機能的變化，或功能障礙。伽馬照相機/單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）采用光電倍增管檢測伽馬射線，激起的閃爍晶體發(fā)出光信號。生物（醫(yī)學）電子學*半導體光電器件光導效應和光敏電阻光導效應：光照射到絕大多數(shù)高電阻率半導體材料引起其電阻率下降而易于導電的現(xiàn)象。光敏電阻：利用光導效應制成的電阻。光生伏特和光電池光生伏特效應：半導體受光照射產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象，稱為光生伏特效應。光電池：金屬—半導體型PN結(jié)硅光電池光敏二極管（三極管）是具有PN結(jié)、具有光電轉(zhuǎn)換功能的二極管（三極管）。生物（醫(yī)學）電子學*3.壓電傳感器及其應用壓電原理概念：某些介質(zhì)（晶體、高分子聚合物），當在適當?shù)姆较蚴┘幼饔昧r，內(nèi)部會產(chǎn)生電極化狀態(tài)，導致電介質(zhì)帶電，稱為壓電效應。可逆性：壓電效應是可逆的，在電極上加電動勢，也會產(chǎn)生應變，稱為逆壓電效應。工作原理受力生物（醫(yī)學）電子學*壓電傳感器的等效電路測量電路生物（醫(yī)學）電子學*應用實例血壓測量：動脈波形生物（醫(yī)學）電子學*熱電式傳感器金屬熱電偶傳感器原理：兩種不同的金屬組成回路時，若兩個接觸點溫度不同，則回路中就有電流通過，稱為溫差電現(xiàn)象（貝塞爾效應）溫差電現(xiàn)象的熱電勢熱電偶溫度計生物（醫(yī)學）電子學*PN結(jié)溫度傳感器當恒定電流正向流過PN結(jié)二極管時，二極管端電壓隨溫度的改變做線性變化。電流和電壓的關系生物（醫(yī)學）電子學*熱敏電阻溫度傳感器熱敏電阻非線性特性生物（醫(yī)學）電子學*一般希望得到線性電阻—溫度特性補償（恒流源供電）補償（恒壓源供電）生物（醫(yī)學）電子學*測量電路測量兩個器官或同一器官不同部位的微小溫差生物（醫(yī)學）電子學*電容式傳感器工作原理電容式傳感器是基于被測量改變傳感器的電容量再轉(zhuǎn)換成輸出電量的結(jié)構(gòu)型傳感器。平板式電容靈敏度生物（醫(yī)學）電子學*4.光導纖維傳感器光導纖維原理當此時的稱為臨界角凡大于臨界角的均能發(fā)生全反射.生物（醫(yī)學）電子學*光纖傳感器的應用把被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成光纖中傳輸?shù)墓庑盘杹磉M行檢測的光學傳感器例:光纖血液流速傳感器（圖）生物（醫(yī)學）電子學*說明：光纖刺入血管血管中紅血球直徑7um，速度為V。激光器發(fā)出直線偏振光（頻率為f），經(jīng)偏光鏡后進入光纖，直至血管。部分光反射回始端。另一部分被紅血球散射，頻率偏移，再返回始端。偏振棱鏡只把返回始端的兩束光波總的特定偏振成分反射到色散器件。光敏器件檢出差頻后，可根據(jù)多普勒公式計算紅血球移動速度。生物（醫(yī)學）電子學*3.4物理傳感器應用舉例1.血壓測量直接法采用導管經(jīng)皮膚插入人體內(nèi)部待測位置，通過導管內(nèi)的液體將體內(nèi)的壓力耦合到體外的壓力測量系統(tǒng)中進行測量。準確可靠，可；連續(xù)監(jiān)測，有創(chuàng)傷，有安全問題。插入部位：臂靜脈過鎖骨下大靜脈導管：不透X光的聚乙烯導管。圖（見下頁）生物（醫(yī)學）電子學*直接法血壓測量圖生物（醫(yī)學）電子學*間接法在體外對動脈血管加以變化的壓力，通過體表檢測出脈管內(nèi)血流與外部壓力之間相對應的關系，從而測出脈管內(nèi)的血壓值。簡便，誤差較大。科氏音法用袖帶充氣，阻斷動脈血流，然后緩慢放氣。在阻斷點的下游監(jiān)聽是否出現(xiàn)血流。當開始聽到科氏音時，即開始有血流通過時，袖帶內(nèi)的壓力為動脈內(nèi)的收縮壓。當血流完全恢復時，袖帶內(nèi)的壓力為動脈內(nèi)的舒張壓。方法：水銀血壓計電子血壓計生物（醫(yī)學）電子學*電子血壓計框圖生物（醫(yī)學）電子學*2.血流測量阻抗血流圖血流在血管中脈動時回造成血管截面的彈性變形，從而造成血管兩端間的阻抗的脈動變化。稀釋法通過測量心輸出量或心搏出量來測量指示劑吸收法：在血流中注入一定量的指示劑（染料），當心臟搏出血液后，檢測血液中的指示劑濃度，可以計算心搏出量。熱稀釋法：在右心房入口處注入一定量（5-10ml）的冷水（0.5-5C），讓其進入右心室，與血液充分混合后，然后在肺動脈處測量血液溫度。根據(jù)溫差，可知多少血液參加了混合，即測出了心輸出量的大小。生物（醫(yī)學）電子學*稀釋法的圖示生物（醫(yī)學）電子學*說明前端有可充氣的氣球?qū)Ч懿迦腱o脈，充以適量的氣體導管隨氣球順血流漂入右心房內(nèi)，并嵌入在肺動脈內(nèi)第二腔注入稀釋劑（或無菌冷鹽水）第三腔可以測量壓力第四腔用于引出測量電路的導線。生物（醫(yī)學）電子學*超聲血流計兩個超聲探頭成角安置在血管兩側(cè)，距離為d。超聲在血液中的速度為Vs。血液的流速為Vf，夾角。則超聲波在兩傳感器間的實際速度為超聲波在兩探頭間的渡越時間順流逆流的時間差生物（醫(yī)學）電子學*得到血流速度為即只要測準了時間差，就可以得到Vf生物（醫(yī)學）電子學*3.呼吸測量熱敏電阻測量呼吸率把熱敏電阻夾在鼻子上呼吸氣流從較高溫的熱敏電阻表面流過，則熱敏電阻的阻值發(fā)生變化可以測出呼吸波形生物（醫(yī)學）電子學*4.紅外線測溫紅外線的波長范圍：0.76—1000um人體輻射能量的波長范圍：3-16um人體組織病變，體表溫度變異，紅外輻射的能量改變紅外線熱像儀生物（醫(yī)學）電子學*紅外線熱像儀生物（醫(yī)學）電子學*3.5化學傳感器及其應用化學傳感器指基于化學原理的、以物質(zhì)成分為檢測對象的一類傳感器利用敏感材料與被測物質(zhì)中的離子、分子或生物物質(zhì)相互接觸而產(chǎn)生的電極電位變化，表面化學反應或引起的材料表面電勢變化，并將這些反應或變化直接或間接地轉(zhuǎn)換為電信號。生物（醫(yī)學）電子學*待測的化學參量血液PH值氧分壓（Pa）二氧化碳分壓（Pco2)血紅蛋白總數(shù)（Hb）各種離子傳統(tǒng)的方法（化驗）從血樣采集到得出完整的化驗報告，需30分鐘或更長現(xiàn)代方法（生化分析儀）快速、方便、可靠、連續(xù)生物（醫(yī)學）電子學*1.電化學的基本概念活度：溶液中能夠表現(xiàn)出離子性質(zhì)和行為并能發(fā)揮作用的那部分離子的濃度，稱為有效濃度，用活度a表示。活度系數(shù)：標準氫電極：以標準氫電極為標準，規(guī)定其電極電位為0V，作為比較基準生物（醫(yī)學）電子學*參比電極：為二級標準電極，其電極電位不為0，但重復性、穩(wěn)定性好。常用的有甘汞電極，Ag/AgCl電極等。指示電極：用于測定過程中主體濃度不發(fā)生變化的情況。工作電極：用于測定過程中主體濃度會發(fā)生變化的情況。生物（醫(yī)學）電子學*2.幾種不同類型的化學傳感器離子傳感器：用于測量人體內(nèi)各種必須和非必須的離子含量。常用的離子傳感器選擇離子電極：其電位對溶液中給定的離子活度呈線性關系離子敏感場效應管是MOSFET與電極的結(jié)合用電解液代替MOSFET的柵極電解質(zhì)的活度影響FET溝道電阻，從而影響輸出信號。生物（醫(yī)學）電子學*離子敏感場效應管生物（醫(yī)學）電子學*氣體敏感傳感器電化學氣體傳感器原理：當氣體處在電極和電解質(zhì)組成的電池中時，氣體與電解質(zhì)反應或在電極表面發(fā)生氧化（失去電子）—還原（得到電子）反應，而在兩個電極間輸出電壓或電流。檢測該電壓或電流，可以得到氣體的濃度。半導體氣體傳感器利用表面電阻變化來檢測氣體（表面吸附氣體分子，使電導變化）光纖氣體傳感器原理：利用紅血球中的血紅蛋白的兩個狀態(tài)（過氧狀態(tài)，無氧狀態(tài)）的光譜特性不一致來檢測含氧量。生物（醫(yī)學）電子學*血氧飽和度生物（醫(yī)學）電子學*化學傳感器在醫(yī)學中的應用血液PH值的檢測在正常狀態(tài)下，血液的PH值在7.36~7.44之間。超出會出現(xiàn)中毒癥狀。典型的PH值測量，由PH玻璃電極和甘汞電極組成測量電池。體外循環(huán)中體液成分的連續(xù)測量A-泵；B-人工肺；C-切換閥；D-標準液；E-空氣泵；F-離子電極；G-蠕動泵；H-參比電極溶液；J-信號輸出生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*3.6生物傳感器及其應用生物傳感器的定義由生物活性材料與相應的轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，能測定特定化學物質(zhì)（主要是生物物質(zhì)）的傳感器。1.生物活性物質(zhì)的特定識別功能生物傳感器框圖生物（醫(yī)學）電子學*生物識別元件（生物敏感膜）：是生物傳感器的關鍵部分酶（Enzyme）：是生物體產(chǎn)生的具有催化能力的蛋白質(zhì)，它能催化特定分子的化學反應。特點：催化進程：使底物（被酶作用的物質(zhì)）與酶相結(jié)合，并轉(zhuǎn)化為生成物。酶具有分子識別，分子轉(zhuǎn)化的雙重功能。催化效率極高：每分鐘每個酶分子轉(zhuǎn)換10^3~10^6個底物分子，其效率為常規(guī)催化劑的10^7~10^13倍。具有專一性：特定的酶對特定的底物起作用，底物濃度影響反應速度抗原與抗體抗原—是能夠刺激動物機體產(chǎn)生免疫反應的物質(zhì)。可能為生物體（微生物），也可能為非生物（多糖等）。抗體—是由抗原刺激機體產(chǎn)生的具有特異免疫功能的球蛋白，又稱為免疫球蛋白。生物（醫(yī)學）電子學*生物學反應中的有關信息熱敏生物傳感器—檢測酶促反應和微生物反應釋放的熱量。光生物傳感器—檢測生物光和顏色反應及光吸收情況。阻抗生物傳感器—檢測微生物反應中培養(yǎng)液阻抗與細菌生長的函數(shù)關系。2.酶傳感器組成固定化酶—不溶于水的酶膜。傳感元件酶電極是一種比較實用的酶傳感器。將酶膜設置在轉(zhuǎn)換電極附近，被測物質(zhì)在酶膜上。發(fā)生催化反應后，生成電極活性物質(zhì)（O2，H2O2，NH3）由電極測定反應中生成或消耗的電極活性物質(zhì)，轉(zhuǎn)成電信號。生物（醫(yī)學）電子學*1-Pt電極；2-聚四氟乙烯膜；3-固定化酶膜；4-非對稱半透膜多孔層；5-半透膜致密層生物（醫(yī)學）電子學*工作原理敏感膜為葡萄糖氧化酶，固定在聚乙烯胺凝膠上轉(zhuǎn)換電極為極譜式氧電極，其Pt陰極上有一層聚四氟乙烯膜當酶電極插入被測葡萄糖溶液時，溶液中的糖被酶氧化（消耗氧氣、生成H2O2）電極還原電流下降，通過測量此電流，可知葡萄糖溶液的濃度及變化。其它生物傳感器組織傳感器：以動植物組織薄片作為生物敏感膜；微生物傳感器：是酶電極的衍生電極，結(jié)構(gòu)和原理相似；細胞傳感器：是組織傳感器的衍生型生物（醫(yī)學）電子學*

生物醫(yī)學信號的放大4.1生物電放大器的前置級1.基本要求高輸入阻抗生物信號是高內(nèi)阻的弱信號源電極提取時，呈不穩(wěn)定高內(nèi)阻源特性內(nèi)阻因人而異，且因生理狀況而異與電極的位置有關源阻抗不穩(wěn)定，導致放大器電壓增益不穩(wěn)定源阻抗是頻率的典型結(jié)構(gòu)生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*電路計算生物（醫(yī)學）電子學*部分生物電放大器的參數(shù)生物（醫(yī)學）電子學*

ECGEEGUEPEMG輸入阻抗>1M>5M>200M>100M輸入短路噪聲<10uV<3uV<0.7uV<8uV共模抑制比>60dB>80dB>100dB>80dB頻帶0.05~250Hz0.5~70Hz0.5~3KHz2~10KHz高共模抑制比為了抑制人體攜帶的工頻干擾及其它生活干擾，需高CMRR（60~80dB）源阻抗Zs1與Zs2的不平衡會造成輸入轉(zhuǎn)化為差模輸入，造成干擾。解決的辦法，提高放大器的輸入阻抗。參見前面的圖：生物（醫(yī)學）電子學*差動放大器電路分析理想情況生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*實際情況電阻值有誤差外回路不能達到完全對稱平衡Uoc很小，但不為0，CMRR也不為無窮大定義CMRRR：外電路電阻匹配精度所限定的放大器共模抑制比CMRRD:

集成器件本身的共模抑制比分析放大器的共模增益生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*[II]考慮器件的影響（CMRRD的影響）生物（醫(yī)學）電子學*例：小結(jié)：CMRR受三個因素的影響放大器閉環(huán)增益外電路匹配精度放大器件本身的CMRRD生物（醫(yī)學）電子學*3.差動放大電路稱為測量放大器輸入阻抗可達到10MA1，A2的作用是提高輸入阻抗A3實現(xiàn)差動放大生物（醫(yī)學）電子學*測量放大器的分析生物（醫(yī)學）電子學*測量放大器的評價優(yōu)點第一級輸出回路里不產(chǎn)生共模電流無須考慮外電路電阻匹配可方便增益調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對稱，有利于克服失調(diào)、飄移的影響缺點A1，A2各自的CMRRD的差異會造成第一級CMRR12的下降生物（醫(yī)學）電子學*測量放大器的技術指標生物（醫(yī)學）電子學*例：ECG前置放大器實用電路CMRR1=100dB,輸入阻抗80M電阻精度0.1%生物（醫(yī)學）電子學*例（續(xù)）計算：生物（醫(yī)學）電子學*生物電放大器前置級的設計步驟器件選擇：A1，A2的CMRR之差小于0.5dB。A1的CMRR大于100dB。第二級差動放大器的匹配精度。優(yōu)于0.1。兩級增益分配適當前置放大級共模抑制比能力的提高屏蔽驅(qū)動浮地跟蹤生物（醫(yī)學）電子學*4.2隔離級設計目的：實現(xiàn)電氣隔離意義：保證人體絕對安全消除地線中的干擾電流方式變壓器耦合光電耦合生物（醫(yī)學）電子學*1.光電耦合光電耦合器件光電耦合二極管光電耦合三極管工作頻率<100KHz（三極管）；<1MHz（二極管）線性特性生物（醫(yī)學）電子學*2.電磁耦合即采用變壓器耦合生物（醫(yī)學）電子學*說明調(diào)制：因變壓器不能放大直流或低頻信號，因此對直流需要調(diào)制；浮地放大器的直流電源由載波發(fā)生器（幾十KHz~幾百KHz），隔離放大器通過整流濾波獲得優(yōu)缺點線性度CMRR比光電耦合的好但是頻率響應不如光電耦合的好生物（醫(yī)學）電子學*4.3生物電放大器

1.心電放大器基本要求輸入阻抗>5MCMRR>100dB電壓增益>60dB頻率范圍：0.08Hz~250Hz輸入短路噪聲均方根值<10uV生物（醫(yī)學）電子學*心電放大器原理框圖A0—緩沖放大；SD—屏蔽驅(qū)動A1—第一級放大；RD—右腿驅(qū)動A2—第二級放大；CAL—校準A3—濾波放大；INST—閉鎖生物（醫(yī)學）電子學*說明輸入回路兩級限幅無源低通濾波，截止頻率限流保護Imax=3mA，限制流入人體的電流緩沖前置放大器高輸入阻抗低噪聲各放大器相同的CMRRDWILSON電阻網(wǎng)絡，為使放大器兩輸入端阻抗平衡前置放大A1差動輸入，增益20，CMRR足夠高，低噪聲設計A2增益為3其它功能：校準，電極脫落檢查生物（醫(yī)學）電子學*屏蔽驅(qū)動和右腿驅(qū)動屏蔽驅(qū)動：去除導聯(lián)線屏蔽層分布電容的不等量衰減造成的對放大器CMRR的影響右腿接地電阻：右腿電極經(jīng)過電阻與放大器接地端相連，以降低共模電壓，稱為右腿接地電阻。右腿驅(qū)動：用于去除人體攜帶的交流共模干擾。由電阻網(wǎng)絡取出的平均交流共模電壓，送入右腿驅(qū)動放大器，經(jīng)限流電阻Rz加到右腿電極。可看成以人體為相加點的共模并聯(lián)電壓負反饋電路。可使50Hz共模干擾電壓降低到1%以下。優(yōu)于右腿接地電阻方式。生物（醫(yī)學）電子學*２.腦電放大器特點：輸入信號更加微弱，噪聲背景更復雜，測量難度更大要求：EEG放大器的輸入端短路時，噪聲應小于10uV,CMRR>80dBEP的短路噪聲<0.7uVCMRR>90dB較寬帶寬，靈活的調(diào)節(jié)能力生物（醫(yī)學）電子學*說明A0—輸入緩沖級A1--差動放大器C1—隔離電極的極化電壓A2,A3,A5—逐級放大，調(diào)節(jié)低通、高通濾波器，實現(xiàn)多種頻段設定T.T為50Hz陷波EMG,EP放大器EMG帶寬（2Hz—10KHz）接觸電阻，1M要求放大器輸入阻抗>100M低噪聲、低漂移，高CMRR生物（醫(yī)學）電子學*EMG,EP前置放大器和主放大器電路生物（醫(yī)學）電子學*說明選擇場效應低噪聲運放器件構(gòu)成前置級合理分配增益：第一級：增益較大，100第二級：增益為2運放輸入端不附加額外電阻，以避免引入噪聲盡可能小去極化電壓電容C1和光電耦合級位于信號主通道，盡可能往后安排。生物（醫(yī)學）電子學*4.4生理信號放大器1.壓力放大器壓力換能器，把壓力信號變?yōu)閼冸娮璧淖兓娮铇?gòu)成橋路，檢測壓力的變化放大器的調(diào)制方式載波：5KHz正弦波已調(diào)波放大

解調(diào)，恢復與壓力對應的電壓信號生物（醫(yī)學）電子學*2.心音放大器心音和心雜音的特征生物（醫(yī)學）電子學*心音的特點人耳能聽到的心音與實際的心音閾相比，只是其中的一部分對于40Hz和400Hz的心音，人耳的敏感度相差100倍。心音、心雜音和人耳聽閾的特點心音和心雜音非常微弱，接近人耳的聽覺閾值，且各頻率成分的閾值相差懸殊頻率范圍0.1Hz~800Hz強度幾乎隨頻率成平方反比關系人耳對高頻敏感，對低頻不敏感人耳具有選擇功能和掩飾效應，即人耳能從很多聲音中辨識出所要集中注意力的聲音，但是不能分辨強音之后的若音，不能聽出0.02s間隔內(nèi)的兩個連續(xù)的聲音。生物（醫(yī)學）電子學*心音濾波器（又稱為生理濾波器）用于心音的選擇放大方式生物（醫(yī)學）電子學*心音濾波器特性生物（醫(yī)學）電子學*心音放大器說明一路經(jīng)前置放大，濾波等直接輸出（耳機監(jiān)聽）同時，以100Hz為界，高頻>100Hz，低頻<100Hz。對于高頻部分，由絕對值電路、低通濾波器取出信號包絡，與低頻部分混合。突出了心音的相關信息。生物（醫(yī)學）電子學*3.呼吸率、脈率放大器呼吸量測量由熱敏電阻構(gòu)成半橋電路把呼吸過程中熱敏電阻阻值的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號送入上述放大器生物（醫(yī)學）電子學*脈率測量把呼吸傳感器轉(zhuǎn)換為脈率傳感器（光敏電阻組成半橋電路）將脈動血流產(chǎn)生的透光率的變化，經(jīng)光敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｉ铮ㄡt(yī)學）電子學*

生物醫(yī)學信號的濾波5.1模擬濾波器的設計1.概述模擬濾波器的作用去除噪聲，改善信噪比提取所需要的信號成分限制帶寬，防止混疊的發(fā)生分類低通高通帶通帶阻生物（醫(yī)學）電子學*一階無源RC濾波器高通低通一階無源RL濾波器（略）生物（醫(yī)學）電子學*一階有源RC濾波器生物（醫(yī)學）電子學*二階濾波器的系統(tǒng)函數(shù)生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*靈敏度靈敏度為元件參數(shù)變化時所引起的傳遞函數(shù)的變化定義式式中，x表示元件參數(shù)當擾動很小時，有上式可以用于估計元件值相對誤差造成的濾波器性能的相對偏差生物（醫(yī)學）電子學*有源濾波器的一般設計步驟由系統(tǒng)要求的頻率特性及規(guī)定的誤差范圍，確定濾波器的逼近方式設計已確定傳遞函數(shù)的有源RC網(wǎng)絡的實現(xiàn)方式，選擇電路類型性能測試，修改設計2.二階低通濾波器的設計濾波器結(jié)構(gòu)放大器的實現(xiàn)生物（醫(yī)學）電子學*用節(jié)點分析法得到電壓傳遞函數(shù)生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*與二階濾波器通式比較，有：生物（醫(yī)學）電子學*常用設計公式生物（醫(yī)學）電子學*例：在腦電放大器中，為了限制頻帶范圍，用高頻截止頻率為3kHz的二階低通濾波器作為末級放大，A=10，,選用Butterworth低通濾波器。試設計之。解：生物（醫(yī)學）電子學*3.二階高通濾波器的設計電路形式生物（醫(yī)學）電子學*傳遞函數(shù)生物（醫(yī)學）電子學*生物（醫(yī)學）電子學*4.二階帶通濾波器的設計利用LP和HP可以構(gòu)成BP濾波器窄帶濾波器設計生物（醫(yī)學）電子學*分析生物（醫(yī)學）電子學*匹配濾波器用于提取信號中的特定成分，例如ECG中的QRS波由BP和HP濾波器構(gòu)成頻譜特性與QRS波的特性相同典型電路生物（醫(yī)學）電子學*5.二階帶阻濾波器的設計電路與特性生物（醫(yī)學）電子學*電路分析生物（醫(yī)學）電子學*6.移相（延時）濾波器移相濾波器允許所有頻率的信號通過，其幅度響應為恒定值（全通），但是使相位隨頻率變化電路生物（醫(yī)學）電子學*工作原理討論（以(a)為例）當輸入f=0時，C相當于開路，電路為電壓跟隨器，當f很高時，C短路，，電路為反相放大器，在0與很高頻率之間生物（醫(yī)學）電子學*二階移相濾波器應用在心電QRS波提取中，將T波等干擾分量移相180度，將QRS波分量移相360度，再與未移相的信號相加，可以抵消干擾分量。生物（醫(yī)學）電子學*5.2非線性變換非線性電路實現(xiàn)信號的頻率變換、產(chǎn)生振蕩、產(chǎn)生新頻率1.半波線性檢波電路生物（醫(yī)學）電子學*2.全波線性檢波電路作業(yè)：當輸入信號ui為正弦波時，試對應于ui畫出u1和u0的波形.生物（醫(yī)學）電子學*3.電壓-頻率變換器輸出信號的頻率與輸入電壓成正比，把輸入電壓變換為相應的頻率方波。在生物遙測、生理信號檢測中有廣泛應用。生物（醫(yī)學）電子學*電壓-頻率變換器的工作過程在ui（+）作用下，A1負向積分。當u1達到-VT時，A2輸出變?yōu)楦唠娖剑珼正向偏置，T導通。A1上的積分電容放電，其上電壓近似為0。由于R1>>R2，A1的輸出電壓為0。重復上述過程，形成振蕩，即頻率。計算生物（醫(yī)學）電子學*5.3電壓比較器1.單限電壓比較器生物（醫(yī)學）電子學*說明：圖（d）為利用反饋箝位方法的電路。門限電位VT不為0，輸出為生物（醫(yī)學）電子學*2.遲滯比較器

上行遲滯比較器下行遲滯比較生物（醫(yī)學）電子學*電路分析生物（醫(yī)學）電子學*2.雙限比較器（窗比較器）生物（醫(yī)學）電子學*電路分析生物（醫(yī)學）電子學*5.4信號運算1.信號的微分理論電路生物（醫(yī)學）電子學*實際電路生物（醫(yī)學）電子學*2.信號的積分生物（醫(yī)學）電子學*3.乘除法運算生物（醫(yī)學）電子學*對數(shù)運算電路分析生物（醫(yī)學）電子學*乘法電路的變種若把A3加法器變?yōu)闇p法器，則實現(xiàn)除法運算；若把u1和u2連接起來，則成為平方運算；若將平方電路設置在放大器負反饋回路中，則構(gòu)成開平方運算。生物（醫(yī)學）電子學*

生物醫(yī)學信號的數(shù)字處理*6.1數(shù)字信號處理基礎1.信號的定義與分類信號的定義一個傳輸信息的物理量函數(shù)信息的載體例心電圖信號分析處理后得到信息信號的分類確定性信號—表示為確定的時間函數(shù)隨機信號—不能表示為確定的時間函數(shù)*周期性信號—存在周期性的信號非周期性信號—不存在周期性的信號連續(xù)時間信號—在任意時間值（在一定范圍內(nèi)）都可以給出函數(shù)值的信號離散時間信號—在時間上離散的信號幅度連續(xù)的離散時間信號—抽樣信號幅度離散的離散時間信號—數(shù)字信號2.數(shù)字信號處理的過程*采樣信號處理的過程*3.采樣定理時域采樣定理頻譜受限信號可以用等間隔采樣值來唯一表示。采樣間隔必須大于1/2fm。奈魁斯特采樣頻率：

奈魁斯特采樣間隔：頻域采樣定理若信號f(t)是時間受限信號，，若在頻域中以不大于1/2tm的頻率間隔對f(t)的頻譜進行采樣，采樣后得到的頻譜可以唯一地表示信號。*4.數(shù)字信號處理的優(yōu)點處理功能強靈活性好精度高穩(wěn)定性好*6.2數(shù)字信號的基本變換1.傅里葉變換周期信號的頻率表示—傅里葉級數(shù)三角形式*復指數(shù)形式*非周期信號的頻率表示—傅里葉變換***離散時間傅里葉變換（DTFT）定義離散傅里葉變換（DFT）定義*快速傅里葉變換（FFT）計算DFT存在的問題N點DFT需做4N*N次實數(shù)乘和2N*N+2（N-1）次實數(shù)加，若N=1024，則實數(shù)乘和實數(shù)加各為419萬次。蝶形運算FFT的計算量（利用周期性和對稱性）復數(shù)乘法：(N/2)log2N復數(shù)加法：Nlog2N**6.3隨機信號處理的基本概念與方法1.隨機信號的描述分類平穩(wěn)隨機信號：隨機信號的統(tǒng)計特性與開始進行統(tǒng)計分析的時間無關；非平穩(wěn)隨機信號：隨機信號的統(tǒng)計特性與開始進行統(tǒng)計分析的時間有關；各態(tài)歷經(jīng)性隨機過程：所有樣本在固定時刻的統(tǒng)計特征與單一樣本在全時間上的統(tǒng)計特性一致；非各態(tài)歷經(jīng)隨機過程：不滿足上述條件高斯過程：服從高斯分布的過程；非高斯過程：不服從高斯分布的過程*各態(tài)歷經(jīng)的條件隨機信號的特點隨機信號的任何一個實現(xiàn)都是隨機信號總體中的一個樣本，任何一個樣本都不能全面代表該隨機信號；在任意時刻，隨機信號的取值都是一個隨機變量，因此只能用概率函數(shù)和集平均的概念來描述。對于各態(tài)歷經(jīng)隨機信號，集平均可以用對一個樣本的時間平均來代替。平均隨機信號在時間上是無始無終的，因此導致能量無限，傅里葉變換不存在，不能用頻譜表示，不能用常規(guī)濾波。*隨機信號舉例*2.隨機信號的統(tǒng)計函數(shù)概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)概率密度函數(shù)概率分布函數(shù)*常用的概率密度函數(shù)高斯分布泊松分布瑞利分布正弦分布*數(shù)字特征n階原點矩n階中心矩相關函數(shù)自相關函數(shù)*互相關函數(shù)隨機序列的自相關與互相關功率譜密度表示隨機信號的平均功率相對頻率的分布情況雙邊功率譜密度*單邊功率譜密度互功率譜密度隨機序列的譜密度*3.線性系統(tǒng)對隨機信號的響應對于離散信號與系統(tǒng)的情況，結(jié)果是相同的。*4.維納濾波概念維納濾波是最優(yōu)線性濾波，當信號x(n)輸入時，在系統(tǒng)的輸出端將s(n)盡可能精確地重現(xiàn)出來，噪聲受到最大抑制。數(shù)學表示*推導思路由上式可以解出（略去推導過程）*例*

6.3自適應濾波1.基本概念具有自學習、自調(diào)整和自適應的能力，能夠依據(jù)某些預先確定的最優(yōu)準則在迭代過程中自動調(diào)整自身的參數(shù)和/或結(jié)構(gòu)，去適應變化的環(huán)境，以實現(xiàn)在這中最優(yōu)準則下的最優(yōu)濾波2.與常系數(shù)濾波器的比較*3.自適應濾波器的結(jié)構(gòu)*4.LMS算法*上式中*自適應濾波器的性能函數(shù)*搜索最小點（梯度下降法）迭代，選用最速下降法*迭代公式學習曲線*5.自適應濾波器的應用自適應均衡用于校正通信中由于數(shù)據(jù)傳輸信道色散引起的信號失真。原理框圖*自適應預測當e(n)min時,y(n)=s(n)*自適應系統(tǒng)辨識當e(n)min時,d(n)=y(n)這樣,未知系統(tǒng)=W(n)*自適應噪聲(干擾)抵消當e(n)=min時,s(n)+v1(n)-v2(n)min即v1(n)與v2(n)抵消e(n)=s(n)*5.自適應濾波器在生物醫(yī)學工程中的應用胎兒心電圖的提取意義了解分娩期心率是否正常有無疑難胎位預測胎兒在子宮內(nèi)的生理狀況問題胎兒的心電與母親的心電混在一起信號一般很難從接收信號中觀測到胎兒的心電信號****EP潛伏期變化的自適應檢測概念EP是中樞神經(jīng)系統(tǒng)在外界聲光電等刺激下產(chǎn)生的生物電信號。EP潛伏期反映了中樞神經(jīng)系統(tǒng)傳導通路上各部位的狀態(tài)和變化。潛伏期有正常的范圍，若神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生損傷、病變，則有延遲，稱為潛伏期變化。檢測這種變化，可以診斷神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。自適應檢測方法*EP波形及其潛伏期*算法原理*計算機仿真的結(jié)果*撞擊加速度實驗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果*6.4信號平均與信號壓縮技術1.信號平均條件信號具有某種周期特性信號與噪聲在頻率域重合